Wem das Thema der Quantencomputer untergekommen ist, dem ist wahrscheinlich auch seine Relevanz für die IT-Sicherheit bewusst. Insbesondere wenn anscheinend einer der prominentesten Punkte „Das Ende für unsere Verschlüsselung“ ist. Dazu hier ein Überblick, was es damit auf sich hat und wofür Quantencomputer genutzt werden können und wofür nicht.
Der Inhalt im Überblick
Quantencomputer: Unterschied zu regulären Computern
Bevor wir uns tiefergehend mit Quantencomputern beschäftigen, ist es sinnvoll zu veranschaulichen, wie sich diese von unseren herkömmlichen Computern unterscheiden. Unsere heutigen Supercomputer arbeiten auf denselben Prinzipien, wie die PCs, Laptops, Tablets oder Smartphones, mit dem dieser Blog gelesen werden kann. Quantencomputer bringen jedoch neue Prinzipien mit. Neu in der Form, dass Physiker sich bereits vor über 100 Jahren mit der Quantenphysik beschäftigt haben. Insbesondere die folgenden Prinzipien sind dabei ausschlaggebend:
- Superposition:
Klassische Computer arbeiten bekannterweise auf sogenannten Bits, die entweder den Wert „0“ oder „1“ haben. Quantencomputer hingegen verwenden jedoch sogenannte Qubits. Diese können nicht nur einen Wert von „0“ oder „1“ annehmen, sondern mehrere Zustände gleichzeitig. Dies ermöglicht mehrere Berechnungen parallel. Vorstellen kann man sich das so, dass man in einem Labyrinth nicht einzeln jeden Weg ablaufen muss, sondern parallel alle gleichzeitig und dann den direkten Weg nach draußen kennt. - Verschränkung:
Bei klassischen Computern sind alle Bits voneinander unabhängig und werden über sogenannte logische Operationen verarbeitet. Die Qubits von Quantencomputern können jedoch miteinander verschränkt werden, sodass sich die Qubits identisch verhalten, auch unabhängig von ihrem Standort und der Distanz zueinander. - Andere Algorithmen:
Durch den grundlegend unterschiedlichen Aufbau arbeiten klassische Computer und Quantencomputer anders, wodurch Quantencomputer eigene Algorithmen, also Arbeitsanweisungen, brauchen.
Es gibt zahlreiche weitere Unterschiede, die hier jedoch den Rahmen sprengen würden.
Anwendungsbereiche von Quantencomputern
So schön das jetzt auch mit Quantencomputern und den Nachrichten klingen mag, die man oft zu ihnen finden kann, so sind sie weder Alleskönner noch Allheilmittel oder schlimmster Albtraum. Aber in manchen Aufgaben sind sie vom Prinzip her doch besser als die klassischen Computer.
Die Bedrohung durch Quantencomputer
Einer der größten Punkte, der im Rahmen von Quantencomputer Beachtung findet, ist die Gefährdung unserer heutigen Verschlüsselungsmethoden und dass wir durch sie nicht mehr effektiv verschlüsselt kommunizieren können. Ausschlaggebend sind hierbei die Qubits mit ihrer Superposition und der Verschränkung. Dadurch sind Quantencomputer in der Lage, die kryptografischen Schlüssel, die für die Verschlüsslung unserer Kommunikation benötigt werden, effektiver zu berechnen. Dies betrifft vor allem die sogenannte asymmetrische und nicht die symmetrische Verschlüsselung. Zu den verschiedenen Arten von Verschlüsselungsverfahren hatten wir bereits berichtet. Jedoch sind beide Verfahren ausschlaggebend für unsere heutige Verschlüsselung. Aus diesem Grund wird aktuell viel nach Verschlüsselungsmethoden gesucht, die resistent gegen Quantencomputer sind.
Chancen durch Quantencomputer
Quantencomputer sind jedoch nicht nur Fluch für die IT-Sicherheit. Sie bieten auch komplett neue Möglichkeiten für die Kryptografie. Beispielsweise das BB84 Protokoll, bei dem es möglich ist, einen Schlüssel „öffentlich“ zu übertragen und damit das einzige Verschlüsselungsverfahren anzuwenden, das nachweislich sicher ist. Das sogenannte One-Time-Pad. Ja, das bedeutet auch, dass kein Verschlüsselungsverfahren, das wir in der Praxis verwenden, bewiesenermaßen sicher ist.
Aber auch abgesehen von der IT-Sicherheit bieten Quantencomputer Chancen. Insbesondere in den Themenfeldern, die von parallelen Berechnungen profitieren, wie zum Beispiel:
- Optimierung
- Simulierung
- Künstliche Intelligenz
Stand der Technik bei den Quantencomputern
Die Praxis zu Quantencomputern steht noch relativ in ihren Kinderschuhen, auch wenn an der Theorie bereits seit über 100 Jahren geforscht wird. Gründe gibt’s hierfür mehrere, wie allein die schiere Komplexität der Theorie. Dazu ein Zitat vom Nobelpreis-Physiker Richard Feynman: „Wer glaubt, die Quantentheorie verstanden zu haben, hat sie nicht verstanden.“
Ein weiterer großer Faktor besteht auch in den physischen Anforderungen, denen Quantencomputer unterliegen. So sind sie auf mehreren Ebenen enorm störungsanfällig. Zunächst wird eine Temperatur nahe von 0 Grad Kelvin benötigt. Also nahe dem absoluten Nullpunkt, der niedrigsten Temperatur, die uns Menschen bekannt ist. Zu dieser Voraussetzung kommt eine Anfälligkeit gegenüber von Erschütterungen und anderen externen Einflüssen wie Licht, die die Qubits aus ihrer Superposition reißen können und einen Quantencomputer damit massiv beeinträchtigen.
Jedoch erzielt die Forschung stetig weitere Fortschritte, sodass sich heute bereits Gedanken über den potenziellen Einfluss von praktischen Quantencomputern gemacht wird.
